氣流懸浮輸送技術的專利技術分析

張旭東 陳麗娟 朱明明

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州 450002）

氣流懸浮輸送技術的專利技術分析

張旭東 陳麗娟 朱明明

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州 450002）

氣流懸浮輸送技術屬于無接觸輸送方式中的一種，其通過氣流作用于被輸送物體，從而使物體與輸送裝置的表面無接觸，相較于傳統的輸送技術，其具有摩擦系數低、不損傷被輸送物體表面的優點。該技術經過長時間的發展和改進，目前已經廣泛應用于各個自動化生產線領域，而且出現了基于多種原理的氣流懸浮輸送技術。本文從專利文獻的角度出發，探討了該技術在國內外的技術發展路線，并對各個技術分支的特點做了簡要的概括說明，為相關領域的生產企業或者研究機構提供一定的參考。

氣流；懸??；無接觸；輸送；搬運

隨著科學技術的不斷進步，自動化生產流水線已逐漸應用到各個生產企業中，從而取代傳統的繁重的人力勞動。輸送裝置是自動化流水線中必不可少的組成部分，但是，傳統的輸送裝置，比如帶式輸送、輥道輸送、滑道輸送等均不可避免地需要將被輸送物體與輸送裝置的表面進行接觸，這就造成了物體在輸送的過程中對其接觸面產生磨損［1-2］。然而，隨著對物體的表面完整度、光潔度等要求越來越高，并且被輸送的物體的厚度也越來越薄，傳統的輸送方式已經不能滿足生產的實際需求。

氣流懸浮輸送技術由于其在輸送過程中以氣流為支撐介質，從而將被輸送物體與輸送裝置表面分離，以無接觸的方式對物體進行運輸，從而極大地避免了對物體造成的損傷，尤其是在太陽能電池、玻璃基板等生產領域得到了廣泛青睞［3］。然而，由于氣流懸浮輸送的摩擦系數很低且通常情況下氣流是流動的狀態，因此，可能會增加物件在輸送過程中的不確定狀態，比如波動、與側壁撞擊、粉塵污染、受力不均勻等情況。該技術的發展經歷了比較長的時期，在其發展過程中技術人員不斷發現存在的問題并不斷做出改進，目前已取得了較大的發展，國內外關于該技術的相關專利申請量已有約6000項，其中，日本在該技術領域的發展較快且較為完善。

1 流懸浮輸送技術的研究重點分布

氣流懸浮輸送技術由最初簡單的氣流直吹浮起物件的方式開始，通過不斷地改進，現已出現了基于吸浮原理、多孔介質原理、氣流渦旋原理、組合式氣流懸浮等多種技術分支［4-5］，本部分將對各個分支技術的特點以及國內外關于該技術的專利技術發展進行簡要的分析。

1.1 伯努利吸浮輸送

伯努利吸浮顧名思義，該技術是指利用了伯努利原理的技術。伯努利原理是流體力學中重要的原理，該原理表明流體的流速增大必然會伴隨流體壓力的降低。伯努利吸浮通常是由伯努利吸盤實現的，如圖1所示，伯努利吸盤通常具有一個壓縮氣體入口，壓縮氣體進入吸盤并流向物件表面時，氣體的流速增大，導致氣體壓力降低，從而在物件上表面附近產生負壓，則物件的上下表面產生了壓差，此壓差抵消了物件自身的重力從而實現懸浮，伯努利吸盤是將物件從上方吸浮起來，吸盤與物件表面無接觸，二者之間的間隙可以由物件的重量自行調節。伯努利吸浮可以適用的物件較廣，對于易碎、柔軟、具有孔或者表面不均勻的工件都能實現吸浮。

圖1 伯努利吸浮原理示意圖

日本的FURORO MECHANIC公司在2005年開發了一種用于吸持半導體晶片的伯努利吸盤，并申請了專利（JP2007067054A）。該裝置的特點在于：可以以無接觸的形式方便實現晶片的轉移，避免了對晶片表面的污染。

中國的上海星納電子科技有限公司于2013年設計了一款無接觸式晶片上料裝置（CN203165871），該上料裝置利用無接觸式吸盤裝置抓取晶片，吸盤采用伯努利原理。該裝置的特點在于：它不但實現了無痕抓取且對晶片的表面形狀沒有特別的要求。

1.2 氣旋吸浮輸送

伯努利吸浮方式雖然能夠達到無接觸輸送的效果，但是其需要消耗大量的壓縮氣體，因此，氣旋吸浮作為一種可以減少氣體消耗的吸浮方式應運而生，如圖2所示。氣旋吸浮輸送是利用氣流的回旋產生負壓從而達到吸浮的效果。氣旋吸浮輸送裝置通常具有一個可以產生氣旋的腔室，壓縮氣體沿切向方向進入腔室產生氣旋，然后從腔室與物件之間的間隙流出，氣旋產生的負壓使得物件上下表面產生了壓差從而抵消物件的重力，達到無接觸懸浮的效果。

圖2 氣旋流吸浮原理示意圖

日本漢莫科技株式會社于2006年設計了一種非接觸搬運裝置旋流形成體（JP2007324382A）。該旋流形成體的特別之處在于其具有兩個氣體旋流腔，兩個氣體旋流腔相切且相互連通，氣體由兩個旋流腔交接處的側壁噴入，從而導致兩個旋流腔中的氣旋方向相反，該裝置能夠很好地抑制被輸送物件的旋轉。

日本精工愛普生株式會社于2010年設計了一種非接觸保持體及非接觸保持柄（JP2011138877A）。該裝置的特點在于：在旋流腔的吸浮面上設置多個引導槽，引導槽沿著回旋流的回旋方向進行卷繞，流入的氣體沿著卷繞方向進行引導，從而使從開口流出的氣體不與開口周邊的氣體摩擦降低流速，能夠使回旋氣流產生的負壓穩定，使得工件保持穩定的姿態。此外，該裝置的創新之處還在于：在非接觸保持柄上設置成矩陣形的四個非接觸保持體，位于對角位置的保持體中氣旋方向相同，而位于邊上的保持體中氣旋方向相反，這種設置一方面增強了吸浮的效果，另一方面也避免了氣旋流與物件接觸時產生的旋轉力導致的物件旋轉現象。

1.3 小孔型氣流懸浮輸送

小孔型氣流懸浮輸送技術是一種比較簡單的懸浮形式，它通常包括壓縮氣源和具有多個氣孔的輸送表面，壓縮氣流通過氣孔直接正對物件表面噴射產生向上的推力以使物件懸浮。

韓國三發機電有限公司于2005年設計了一種基板傳送裝置（KR100527241B1）。該裝置的特點是：在物件的輸送表面安裝有多個氣體噴射單元和多個氣體抽吸單元，在使物件懸浮的同時還能使物件保持平展，另外，還包括一個換氣單元，該換氣單元分別通過導管連接噴射單元和抽吸單元，從而達到集成兩單元的目的。

日本翔鳳技術有限公司于2006年設計了一種空氣浮起單元、運送方法以及空氣浮起運送裝置（JP2006222209A）。該裝置的特點在于：在輸送表面的下游設置傾斜噴嘴，傾斜噴嘴從輸送表面的下游朝向中央噴出空氣，使得物件前端的懸浮量上升，從而達到防止物件在輸送表面的不連續處與其它部件發生干涉。

中國東莞宏威數碼機械有限公司于2009年設計了一種氣浮式基板輸送裝置（CN201626700U），該裝置的改進在于將氣板上表面的噴氣量從中心向邊緣逐漸增大，解決了輸送過程中氣體容易集中在基板下部中心位置導致基板變形的問題。

中國申請人黎鑫于2011年設計了一種氣懸浮傳送裝置（CN102363476A）。該裝置的改進在于，將輸送表面的噴氣口設置為長的縫隙結構，可以克服傳統的點狀噴氣造成對物件的支撐力不連續的問題，使工件的支撐力更加均衡，防止物件發生傾斜或者上下波動現象。

1.4 多孔材質型氣流懸浮輸送

小孔型氣流懸浮輸送雖然結構簡單，但是也存在固有的缺陷：直接噴射會導致物件中心產生較大的應力，然而，隨著科技的不斷進步，有些物件正朝著大型化和超薄化的方向發展，例如第10代玻璃基板的厚度僅有0.7mm，那么當采用小孔型裝置輸送時極易對其造成損壞。多孔材質型氣流懸浮輸送裝置是使用多孔質材料（例如多孔質燒結金屬、可透氣的陶瓷等）與氣體供給路徑連通，氣流經過多孔質材料噴射到物件表面，從而使氣流較為均勻地流出，避免產生較大的應力。

日本SMC株式會社于2004年設計了一種工件漂浮裝置（JP2005191553 A），該裝置通過壓力流體向物件施加壓力以使物件懸浮并輸送，該裝置具有多孔質材料構成的懸浮表面。該專利技術的特點在于：增設了流量減少器，流量減小器可為環形槽或者表面凹凸，用于減小在保持表面和工件之間流動的壓力流體的流速，從而增加保持表面和工件之間的壓力流體的壓力，達到減小氣流消耗量并提高工件漂浮穩定性的目的。

1.5 渦流懸浮輸送

隨著生產的要求越來越高，傳統的小孔型或者多孔材質型由于無法精確控制物件的懸浮精度和高度，已逐漸不能滿足需要，探尋一種可以精確懸浮精度和高度的裝置成了大勢所趨。渦流懸浮輸送是指利用高速旋轉的氣旋作用于物件的下表面，使物件達到懸浮無接觸的一種技術。

日本翁令司工業股份有限公司于2009年設計了一種非接觸式搬運裝置（WO2009119377A1），如圖3所示，該裝置包括渦流形成體1，渦流形成體1具有從表面貫通到里面的橫截面為圓形的貫通孔1a以及向貫通孔1a內噴出空氣而產生渦流的噴出口1d。該裝置的特點在于：通過在渦流形成體的表面產生朝向上方的渦流使得被輸送物件懸浮，并且在貫通孔的開口部產生的負壓會導致向下方的空氣流，產生真空吸附的效果用以保持物件上浮的高度和精度，同時與以往相比，降低了氣體消耗量和能耗。

1.6 改進型渦流懸浮輸送

單一的渦流懸浮輸送雖然具有很大的優勢，但在使用中也存在一定的問題，比如當搬運大型面板（比如FPD面板和太陽能電池面板）時，當被輸送物被上升渦流作用一邊懸浮一邊移動的過程中，一方面，若被輸送物的邊緣部位處于上升渦流的中心部位，被輸送物與渦流形成體僅有部分重疊，可能導致被輸送物因浮力不足而與渦流形成體接觸；另一方面，由于貫通孔中心附近產生負壓導致向下方的吸附力，若被輸送物為剛性較小的薄板，薄板的邊緣部位極有可能發生彎曲而與基體或者渦流形成體觸碰發生危險。因此，國內外對渦流懸浮輸送做了很多改進。

圖3 接觸式搬運裝置示意圖

日本翁令司工業股份有限公司于2009年設計了一種渦流形成體和非接觸式運送裝置（WO2010004800A1），如圖4所示，該裝置的渦流形成體1包括橫截面為圓形的從表面貫通到里面的貫通孔11、第一噴出口14和第二噴出口16；第一噴出口14沿貫通孔11內周側面噴出氣體，產生上升渦流，同時在貫通孔11的開口附近產生由負壓導致的向里的空氣流；第二噴出口16向上方噴出上升流。該裝置相對于普通的渦流懸浮輸送裝置具有以下優點：當被輸送物的邊緣部位與渦流形成體1部分重疊時，可由第二噴出口16噴出的上升氣流對被輸送物增加輔助的浮力，以避免被輸送物與其他部件接觸而產生危險。

圖4 渦流形成體和非接觸式運送裝置

浙江大學于2013年設計了一種氣旋流懸浮裝置（CN103662835A），如圖5所示。該裝置包括懸浮平面1，懸浮平面1設置有通過氣體旋流產生負壓的向內凹的旋流腔2，旋流腔2橫截面為圓形且底部開有連通大氣的通孔3，旋流腔2內壁設有噴嘴4，噴嘴4沿壁面切線方向噴射氣流以形成旋流。該裝置的優勢在于：旋流中心產生的負壓從上述通孔3中吸入氣流以增加支撐物件懸浮所需的氣量并減小負壓對物件向下的吸力作用，防止被輸送物件與其它部件相接觸而產生危險，并且各個通孔3由管道進行連接，管道上安裝流量調節閥，通過對吸入氣體流量的調節來調整物件的懸浮高度與精度。

圖5 氣旋流懸浮裝置

圖6 上升流形成體及使用該上升流形成體的非接觸運送裝置

1.7 其它類型的懸浮輸送

針對小孔型懸浮易產生局部應力集中的問題，渦流懸浮產生的負壓易引起被輸送物端部與其他物件接觸產生的問題。國內外研究機構還同時尋找了其它類型的懸浮輸送形式。

日本翁令司工業股份有限公司于2011年設計了一種上升流形成體及使用該上升流形成體的非接觸運送裝置（WO2012086279A1），如圖6所示，上升流形成體包括有底的且具有圓筒內壁面的圓筒狀基體部7c，至少一個流體噴出孔7j，流體噴出孔從圓筒狀基體部的外周面向圓筒內壁面開口并且頂端部朝向該圓筒狀基體部的中心。該裝置的特點在于：從流體噴出孔噴出的氣體與圓筒內壁面或者與其它噴出口噴出的氣體相碰撞，使氣體的噴出速度下降并且成為噴霧狀分散的上升流，可極大抑制氣流對被輸送物件產生的應力、減小被輸送物的振幅并且增大被輸送物的懸浮量。此外，還可以在上升流形成體的周圍設置吸引孔將周圍的空氣抽真空以精確控制被輸送物的懸浮高度。

2 氣流懸浮輸送技術的發展方向

隨著科技的日益發展，對于輸送裝置的要求也越來越高，尤其是在LCD、FPD和太陽能電池板等生產領域中，氣流懸浮輸送技術作為一種無接觸輸送方式正在得到越來越普遍的應用，國內外都進行了大量的研究，其中國內相關的專利申請已達到2000多項，國外的專利申請也有3000多項，日本在該項技術的研究較為全面，其中日本的翁令司工業股份有限公司、哈莫技術股份有限公司、SMC株式會社等研究較多。

從國內外的研究現狀來看，主要是偏重于氣體旋流方面的研究，在該方面需要解決的問題主要是如何更加精確地控制被輸送物件的懸浮高度，如何更加方便地利用上升旋流中心產生的負壓的吸附作用而又避免該負壓對被輸送物件造成損害，以及如何進一步節約氣流的消耗量和輸送能耗。此外，進一步探索不同種類的懸浮輸送技術的結合，將各種技術的優勢相互配合達到取長補短的效果也將成為未來的發展方向之一。

［1］王濤，楊玉貴，彭光正.半導體及平板顯示制造業中的空氣非接觸搬運技術［J］.液晶與顯示，2009，24（3）：404-407.

［2］羅清岳.非接觸性大型玻璃基板搬運技術［J］.國際光電與顯示，2007（6）：61-63.

［3］門連通，白淑璠.非接觸式搬運設備在液晶物流中的應用［J］.物流技術，2006（5）：27-29.

［4］阮曉東，郭麗媛，傅新，鄒俊.旋渦式非接觸硅片夾持裝置的流動計算及試驗研究［J］.機械工程學報，2010，46（16）：189-194.

［5］鐘偉，劉昊，陶國良，黎鑫，香川利春.多孔介質氣懸浮氣膜壓力特性建模及試驗研究［J］.浙江大學學報（工學版），2012，46（4）：616-621.

Analysis on the Patent Technology of the Flow Air Suspension Conveying

Zhang XudongChen LijuanZhu Mingming
（Patent Examination Cooperation Henan Center of The Patent Office，SIPO，Zhengzhou Henan 450002）

The technology of the flow air suspension conveying is one kind of the non-contact conveying，in which the object is transported by air acting on its surface，so that the surface of the object has non-contact with the surface of the conveyor.Comparing with the traditional conveying technology，the technology of the flow air suspension conveying has a low coefficient of friction and does not damage the surface of the object.The technology has been developed and improved for a long time，it has been widely used in various areas of the automatic pipelines now.At the same time，a variety of technology of the flow air suspension conveying based on various principles comes out.From the perspective of the patents，we discussed the developing route of the technology in China and foreign countries，and the characteristics of the various branches of the technology are briefly summarized to provide

for the company or research institutions in related fields.

air；suspension；non-contact；convey；transport

TH48

A

1003-5168（2016）07-0085-04

2016-6-28

張旭東（1989-），男，碩士，研究實習員；研究方向：機械領域發明申請的實質審查；陳麗娟（1988-），女，碩士，研究實習員；研究方向：機械領域發明申請的實質審查，等同于第一作者。